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近年来我国稀土金属产业发展很快,熔盐电解法制取稀土金属及合金的工艺技术也有很大进步。现在,稀土氧化物电解由于其电流效率高且对环境较友好,已广泛应用于稀土金属的生产。 稀土熔盐电解制取稀土金属过程由于熔盐的温度较高,且氟化物熔盐腐蚀性极强,对实际电解槽的电解过程进行研究难度很大。在稀土熔盐电解槽中,气泡起着相当大的作用。气泡运动带动电解质熔盐运动,加速了稀土氧化物的溶解,促使氧化物分布更加均匀,有利于电解槽的热平衡,但气泡的存在会增加极间电阻和阳极表面电流密度,当气泡聚积在阳极表面没能及时脱离时会发生阳极效应,不利于电解持续高效进行。 为研究稀土熔盐电解槽中熔盐对阳极表面的润湿性、阳极表面电流密度、阳极表面孔隙大小以及熔盐表面张力四种因素对阳极表面气泡生长过程中形状、阳极表面吸附面积、阳极表面孔隙孔口处吸附时间以及气泡完全脱离阳极表面孔隙孔口时体积大小等的影响,针对稀土熔盐电解槽中石墨阳极的表面特性,利用计算流体力学软件Fluent,采用 CLSVOF(Coupled Level Set and Volume of Fluid Method)界面追踪方法分别对不同情况下阳极表面气泡的生成过程进行模拟研究,并据此确定了较优的参数。具体工作有: (1)通过对现场石墨阳极取样,对其进行电镜扫描,确定了阳极表面孔隙孔径大小主要在0.1mm-0.2mm之间,通过使用matlab对多幅图片进行处理,统计出阳极表面孔隙占阳极表面的5.04％,再依据气泡形核理论推出电流密度为1.25A/cm2时气泡生成速率为0.035m/s。 (2)模拟了阳极表面电流密度为1.25A/cm2,阳极表面孔隙孔径为0.150mm,熔盐表面张力为0.265N/m,润湿角分别为15°、25°、35°、45°、55°和65°的气泡在阳极表面的生长变形过程,据此确定实际电解过程润湿角应控制在55°以下,能够减少阳极效应的发生。 (3)模拟了润湿角为35°,熔盐表面张力为0.265N/m,阳极表面孔隙孔径为0.150mm,电流密度分别为1.25A/cm2、1.50A/cm2、1.75A/cm2、2.00A/cm2、2.25A/cm2和2.50A/cm2时气泡在阳极表面的生长变形过程,据此确定实际电流密度能够提高到0.90A/cm2。 (4)模拟了阳极表面电流密度为1.25A/cm2,熔盐对阳极表面润湿性润湿角为35°,熔盐表面张力为0.265N/m,阳极表面孔隙孔径分别为0.125mm、0.150mm、0.175mm和0.200mm时气泡在阳极表面的生长变形过程,据此确定在所研究范围内阳极表面孔隙孔径为0.125mm的条件下利于电解持续高效的进行。 (5)模拟了阳极表面电流密度为1.25A/cm2,阳极表面孔隙孔径为0.150mm,熔盐对阳极表面润湿性润湿角为35°,熔盐表面张力分别为为0.245N/m、0.255N/m、0.265N/m、0.275N/m和0.285N/m时气泡在阳极表面的生长变形过程,据此确定在所研究范围内取表面张力为0.255N/m时能减少阳极效应的发生。